專利名稱：?jiǎn)尉Ч鑵^(qū)熔拉伸爐控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單晶硅制備技術(shù)，具體說(shuō)，是一種單晶硅區(qū)熔拉伸爐控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
區(qū)熔爐是一種在惰性氣體環(huán)境中，將多晶硅棒等多晶硅材料熔化，用懸浮區(qū)熔法生長(zhǎng)高純度無(wú)錯(cuò)位單晶硅的設(shè)備。區(qū)熔爐主爐體機(jī)械部分如圖I所示，它包括一個(gè)用高頻感應(yīng)線圈加熱的爐膛4，一個(gè)將多晶硅棒5緩慢送入爐膛4的送料裝置，一個(gè)將硅棒拉伸成單晶硅棒的拉伸裝置，送料裝置、爐膛4、拉伸裝置按上、中、下順序布置在爐架10上，多晶硅棒5穿越爐膛4的部分被加熱熔融，拉伸裝置拉伸多晶硅棒5的下端，使熔融部分的晶格結(jié)構(gòu)變化，從而提純多晶硅、生成單晶硅。
送料裝置包括一個(gè)上軸2,用于夾持多晶娃棒5的上端,一個(gè)上軸升降機(jī)構(gòu)，使上軸2發(fā)生上下位移，該機(jī)構(gòu)由滑座I和導(dǎo)向柱3組成，上軸2固定連接滑座1，滑座I由其驅(qū)傳動(dòng)裝置(升降電機(jī)、蝸桿蝸輪傳動(dòng)副，圖中未示出)驅(qū)動(dòng)，沿導(dǎo)向柱3上下位移，帶動(dòng)上軸2升降。一個(gè)上軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(旋轉(zhuǎn)電機(jī)、蝸桿蝸輪傳動(dòng)副，圖中未示出)，使上軸2旋轉(zhuǎn)。拉伸裝置包括一個(gè)下軸11，用于夾持多晶硅棒5的下端，一個(gè)下軸升降機(jī)構(gòu)，使下軸機(jī)構(gòu)11發(fā)生上下位移，該機(jī)構(gòu)由上滑座7、下滑座8和導(dǎo)向柱9組成，下軸11連接上滑座7，上滑座7由其驅(qū)傳動(dòng)裝置(升降電機(jī)、蝸桿蝸輪傳動(dòng)副，圖中未示出)驅(qū)動(dòng)，沿導(dǎo)向柱9上下位移，帶動(dòng)下軸機(jī)構(gòu)11升降。一個(gè)下軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(旋轉(zhuǎn)電機(jī)、減速器，圖中未示出)，使下軸11旋轉(zhuǎn)。上滑座7與爐膛4之間用波紋套管6連接，當(dāng)上滑座7升降時(shí)，波紋套管6發(fā)生彈性變形，隨上滑座7伸縮，進(jìn)而增加爐膛的單晶棒長(zhǎng)度容量，下滑座8與單晶硅棒連接，與上滑座7可以自動(dòng)聯(lián)動(dòng)隨動(dòng)，保證在晶棒拉伸到足夠長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)規(guī)格。另外，拉伸多晶硅棒5時(shí)，上軸送料速度和下軸拉伸速度都很緩慢，故上軸滑座、下軸上滑座、下軸下滑座均配有快速升降電機(jī)及傳動(dòng)副，在裝料或卸料階段使用，以提高裝料、卸料階段以及硅棒預(yù)熱階段的工作效率。在上述結(jié)構(gòu)中，上、下軸旋轉(zhuǎn)的目的，是使硅棒熔融段保持圓柱狀。拉伸的目的，不僅要獲得圓柱狀單晶硅棒，而且要使單晶硅棒的直徑符合要求，該直徑與爐膛溫度、惰性氣體壓力、上軸送料速度、下軸拉伸速度、硅棒旋轉(zhuǎn)速度、原料棒自身直徑相關(guān)，需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。但是，現(xiàn)有的區(qū)熔爐控制系統(tǒng)很簡(jiǎn)陋，只是對(duì)爐膛溫度、惰性氣體壓力進(jìn)行自動(dòng)控制，上軸送料速度、下軸拉伸速度、硅棒旋轉(zhuǎn)速度則由操作員透過(guò)爐膛視窗硅棒拉伸狀況，憑經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)操作送料電機(jī)、拉伸電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)的速度控制器，上、下軸的位移速度、旋轉(zhuǎn)速度不穩(wěn)定，未能實(shí)現(xiàn)恒速運(yùn)行，拉伸時(shí)硅棒直徑是變化的，不是圓柱狀，硅棒直徑也很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。此外，還有如下缺陷
上、下滑座的行程限位開(kāi)關(guān)采用普通機(jī)械式開(kāi)關(guān)，容易頂壞，導(dǎo)致滑座移動(dòng)過(guò)頭而卡
死；控制系統(tǒng)容易受到高頻感應(yīng)電源系統(tǒng)干擾，導(dǎo)致拉伸過(guò)程不穩(wěn)定使產(chǎn)品合格率下降； 電機(jī)與傳動(dòng)副的連軸器非常容易損壞；
滑座快速升降電機(jī)傳動(dòng)副的蝸桿容易折斷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，是克服現(xiàn)有單晶硅區(qū)熔拉伸爐控制系統(tǒng)的上述缺陷，提供一種功能完善、性能可靠的單晶硅區(qū)熔拉伸爐控制系統(tǒng)，以保證單晶硅棒的質(zhì)量，并提高生產(chǎn)效率。實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是 一種單晶硅區(qū)熔拉伸爐控制系統(tǒng)，包括
上軸旋轉(zhuǎn)速度檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)上軸旋轉(zhuǎn)速度；
上軸送料速度檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)上軸位移速度；
下軸旋轉(zhuǎn)速度檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)下軸旋轉(zhuǎn)速度；
下軸拉伸速度檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)下軸位移速度；
爐膛溫度檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)爐膛溫度；
爐膛氣壓檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)爐膛惰性氣體充氣壓力；
數(shù)據(jù)采集模塊，用于將上述檢測(cè)裝置獲得的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；
存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)信號(hào)數(shù)據(jù)、控制參數(shù)設(shè)定值及信號(hào)處理計(jì)算模型；
中央處理器，用于處理上述檢測(cè)信號(hào)，輸出控制信號(hào)；
控制信號(hào)輸出模塊，用于輸出控制信號(hào)，將數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；
上軸旋轉(zhuǎn)速度控制器，用于控制上軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)的速度；
上軸送料速度控制器，用于控制上軸送料電機(jī)的速度；
下軸旋轉(zhuǎn)速度控制器，用于控制下軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)的速度；
下軸拉伸速度控制器，用于控制下軸拉伸電機(jī)的速度；
爐膛溫度控制器，用于控制感應(yīng)加熱器的功率；
爐膛氣壓控制器，用于控制惰性氣體的充氣壓力；
所述中央處理器將上軸旋轉(zhuǎn)速度信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向上軸旋轉(zhuǎn)速度控制器輸出控制信號(hào)，控制上軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)的速度；將上軸送料速度信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向上軸送料速度控制器輸出控制信號(hào)，控制上軸送料電機(jī)的速度；將下軸旋轉(zhuǎn)速度信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向下軸旋轉(zhuǎn)速度控制器輸出控制信號(hào)，控制下軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)的速度；將下軸拉伸速度信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向下軸拉伸速度控制器輸出控制信號(hào)，控制下軸拉伸電機(jī)的速度；將爐膛溫度信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向爐膛溫度控制器輸出控制信號(hào)，控制感應(yīng)加熱器的功率；將爐膛氣壓信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向爐膛氣壓控制器輸出控制信號(hào)，控制惰性氣體充氣閥的開(kāi)度。該系統(tǒng)還包括下軸滑座行程檢測(cè)裝置、下軸滑座行程控制器，所述中央處理器將下軸滑座行程信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向下軸滑座行程控制器輸出控制信號(hào)，控制下軸快速電機(jī)的啟、停；所述下軸滑座行程檢測(cè)裝置采用磁電感應(yīng)檢測(cè)元件。所述上軸也配有快速升降電機(jī)及其蝸輪蝸桿傳動(dòng)副。所述各電機(jī)與其驅(qū)動(dòng)對(duì)象之間配有蝸輪蝸桿傳動(dòng)副，電機(jī)輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與蝸桿聯(lián)接，該聯(lián)軸器采用柔性聯(lián)軸器。該系統(tǒng)的各種信號(hào)線路均采用屏蔽電纜；所述屏蔽電纜的兩端配有磁環(huán)。該系統(tǒng)還配有觸摸屏，用于控制參數(shù)設(shè)定值、計(jì)算模型錄入操作及顯示操作界面。該系統(tǒng)還配有手動(dòng)開(kāi)關(guān)，用于故障時(shí)緊急停機(jī)。本發(fā)明的有益效果
實(shí)現(xiàn)了單晶硅區(qū)熔拉伸爐全數(shù)字化控制和監(jiān)視，各個(gè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)定速運(yùn)行，在單晶拉伸進(jìn)入等徑工序后投入數(shù)字式恒速運(yùn)行，不受高頻感應(yīng)電源系統(tǒng)干擾，確保單晶成晶直徑精確，誤差在±0. 3mm之內(nèi)，質(zhì)量有聊保證。通過(guò)專用人機(jī)界面顯示各操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)、自由設(shè)定運(yùn)行速度，根據(jù)單晶的 生產(chǎn)工藝選擇合適的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)參數(shù)修改、實(shí)時(shí)運(yùn)行曲線、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。系統(tǒng)增加急停功能，如果出現(xiàn)高頻故障、火盤打火、斷氣斷水、流晶等緊急情況，能夠?qū)崿F(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和高頻感應(yīng)電源系統(tǒng)緊急一鍵急停。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的非接觸式行程限位開(kāi)關(guān)，采用電磁技術(shù)、側(cè)位安裝，即保護(hù)了動(dòng)作設(shè)備的安全限位，又避免了限位機(jī)構(gòu)的撞擊情況，保證限位開(kāi)關(guān)長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行。波紋管式彈性聯(lián)軸器，緩沖了電機(jī)快速起停的沖擊力，延長(zhǎng)了個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的使用壽命。


圖I是單晶硅區(qū)熔拉伸爐結(jié)構(gòu)示意 圖2是本單晶硅區(qū)熔拉伸爐控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖3是本單晶硅區(qū)熔拉伸爐控制系統(tǒng)的工作流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的目的在于推進(jìn)國(guó)內(nèi)單晶區(qū)熔爐的整體技術(shù)水平，提供一種功能齊全、適用性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠的控制裝置。其數(shù)字調(diào)速、定速閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠控制單晶棒成晶直徑變化在±0. 3mm之內(nèi)，提聞單晶成品率。參見(jiàn)圖2，本單晶硅區(qū)熔拉伸爐控制系統(tǒng)包括信號(hào)檢測(cè)裝置、主控器、控制對(duì)象及其執(zhí)行器部分，其中
信號(hào)檢測(cè)裝置包括上軸旋轉(zhuǎn)速度檢測(cè)裝置1，上軸送料速度檢測(cè)裝置2，下軸旋轉(zhuǎn)速度檢測(cè)裝置4，下軸拉伸速度檢測(cè)裝置3，爐膛溫度檢測(cè)裝置6，爐膛氣壓檢測(cè)裝置5，下軸滑座行程檢測(cè)裝置7。主控器包括信號(hào)數(shù)據(jù)采集模塊8，觸摸屏9，中央處理器10，存儲(chǔ)器11，控制信號(hào)輸出模塊12?？刂茖?duì)象及其執(zhí)行器包括上軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)20及其上軸旋轉(zhuǎn)速度控制器13，上軸送料電機(jī)21及其上軸送料速度控制器14，下軸拉伸電機(jī)22及其下軸拉伸速度控制器15，下軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)23及其下軸旋轉(zhuǎn)速度控制器16，氬氣調(diào)節(jié)閥24及其開(kāi)度控制器(即爐膛氣壓控制器)17，感應(yīng)加熱器25及其功率控制器(即爐膛溫度控制器)18，下軸快速升降電機(jī)(即下軸滑座快速電機(jī))26及其速度控制器(下軸滑座行程控制器)19。該系統(tǒng)的工作原理是，中央處理器10將上軸旋轉(zhuǎn)速度信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向上軸旋轉(zhuǎn)速度控制器13輸出控制信號(hào)，控制上軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)20的速度；將上軸送料速度信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向上軸送料速度控制器14輸出控制信號(hào)，控制上軸送料電機(jī)21的速度；將下軸旋轉(zhuǎn)速度信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向下軸旋轉(zhuǎn)速度控制器16輸出控制信號(hào)，控制下軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)23的速度；將下軸拉伸速度信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向下軸拉伸速度控制器15輸出控制信號(hào),控制下軸拉伸電機(jī)22的速度；將爐膛溫度信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向爐膛溫度控制器18輸出控制信號(hào)，控制感應(yīng)加熱器25的功率；將爐膛氣壓信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向爐膛氣壓控制器17輸出控制信號(hào)，控制惰性氣體充氣閥(氬氣調(diào)節(jié)閥)24的開(kāi)度，將下軸滑座行程信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向下軸滑座行程控制器19輸出控制信號(hào)，控制下軸快速升降電機(jī)26的啟、停。上述系統(tǒng)有如下特點(diǎn)
所述下軸滑座行程檢測(cè)裝置7采用磁電感應(yīng)檢測(cè)元件。所述各電機(jī)與其驅(qū)動(dòng)對(duì)象之間配有蝸輪蝸桿傳動(dòng)副，電機(jī)輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與蝸桿聯(lián)接，該聯(lián)軸器采用柔性聯(lián)軸器。
該系統(tǒng)的各種信號(hào)線路均采用屏蔽電纜；所述屏蔽電纜的兩端配有磁環(huán)。該系統(tǒng)還配有觸摸屏，用于控制參數(shù)設(shè)定值、計(jì)算模型錄入操作及顯示操作界面。所述上軸也配有快速升降電機(jī)及其蝸輪蝸桿傳動(dòng)副，該電機(jī)配有手動(dòng)開(kāi)關(guān)。另外，該系統(tǒng)還配有手動(dòng)開(kāi)關(guān)，用于故障時(shí)緊急停機(jī)。本系統(tǒng)是全數(shù)字多媒體人機(jī)交互式控制系統(tǒng)及恒速運(yùn)行控制、數(shù)字通訊和急停保護(hù)邏輯，確保系統(tǒng)性能長(zhǎng)期穩(wěn)定，緊急情況下快速安全停爐，交直流伺服電機(jī)控制執(zhí)行部件旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，彈性聯(lián)軸器作為電機(jī)與執(zhí)行設(shè)備的連接機(jī)構(gòu)，電磁非接觸式位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)?？?制系統(tǒng)包括人機(jī)界面、機(jī)柜、執(zhí)行和檢測(cè)設(shè)備。所述全數(shù)字多媒體人機(jī)交互式控制系統(tǒng)主要包括以下設(shè)計(jì)主控制系統(tǒng)為主控制器、主控制機(jī)柜、人機(jī)界面等。主控制器由CPU模塊(模塊中包含的微存儲(chǔ)卡中集成了負(fù)荷分配系統(tǒng)的邏輯程序，完成對(duì)數(shù)據(jù)的綜合邏輯處理)、I/o模塊(用于現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的接收和前端處理)組成。主控制機(jī)柜內(nèi)部包括兩套電源裝置、主控制器、交直流電機(jī)伺服控制器、繼電器、端子、門碰開(kāi)關(guān)、日光燈及風(fēng)扇，其中
電源裝置，為整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的用電設(shè)備提供可靠工作電源，包括數(shù)據(jù)采集單元，數(shù)據(jù)處理單元，繼電器，15寸液晶觸摸平板電腦，電磁離合器提供直流電源，為機(jī)柜內(nèi)部的交流伺服控制器、直流伺服控制器、日光燈、風(fēng)扇等用電設(shè)備提供交流電源，且具備電源指示功能。人機(jī)界面包括15寸液晶觸摸平板電腦，速度給定旋鈕，燈絲和陽(yáng)極控制按鈕，功率給定旋鈕，電壓變送器。配合液晶觸摸平板電腦和系統(tǒng)程序可實(shí)現(xiàn)當(dāng)前區(qū)熔爐的運(yùn)行方式設(shè)定，當(dāng)單晶生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)異常情況后，可通過(guò)重新設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行速度來(lái)消除異常情況。人機(jī)界面可瀏覽前8小時(shí)內(nèi)的所有運(yùn)行參數(shù)和報(bào)價(jià)操作情況，便于異常情況的分析和總結(jié)，逐步提高單晶生產(chǎn)工藝技術(shù)。設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，液晶觸摸平板電腦可以單獨(dú)退出整個(gè)系統(tǒng)，短時(shí)間內(nèi)不影響單晶生產(chǎn)。各系統(tǒng)之間采用全數(shù)字式信息交互方式，抗高頻感應(yīng)電源干擾的能力高。恒速運(yùn)行控制、數(shù)字通訊和急停保護(hù)邏輯的特殊控制方式，徹底打破了原系統(tǒng)的傳統(tǒng)操作運(yùn)行方式，以數(shù)字輸入的方式調(diào)整各動(dòng)作機(jī)構(gòu)速度，代替電位器設(shè)定速度，保證系統(tǒng)在正常運(yùn)行中不受干擾。操作人員通過(guò)人機(jī)界面中觸摸平板電腦的速度設(shè)定窗口，直接輸入需要控制的各執(zhí)行器速度，平板電腦將設(shè)定數(shù)據(jù)通過(guò)通訊方式發(fā)到主控制器，通過(guò)邏輯判斷、數(shù)據(jù)采集和計(jì)算輸出對(duì)應(yīng)的控制指令到伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，伺服電機(jī)控制系統(tǒng)按照主控制器提供的速度指令，直接控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，并采集轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，快速準(zhǔn)確的調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，使之達(dá)到恒速運(yùn)行的目的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的急停保護(hù)邏輯是工業(yè)控制中緊急保護(hù)人員和設(shè)備的一個(gè)重要手段，當(dāng)系統(tǒng)處于緊急情況下，按下緊急停止按鈕，所有的電機(jī)、高頻感應(yīng)電源系統(tǒng)、真空和水系統(tǒng)都將快速動(dòng)作并關(guān)閉，保證整個(gè)爐體運(yùn)行處于安全狀態(tài)。交流伺服電機(jī)為進(jìn)口的高性能伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)伺服電機(jī)和伺服控制器成套配置，伺服電機(jī)與伺服控制器之間為全數(shù)字接口，伺服控制器對(duì)電機(jī)輸出數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)安裝在伺服電機(jī)上的數(shù)字編碼器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度高于千分之一。交流伺服電機(jī)用于控制單晶區(qū)熔爐的上下軸旋轉(zhuǎn)和慢速移動(dòng)，為單晶生產(chǎn)工藝過(guò)程中的主要生產(chǎn)步驟提供高精度速度控制。直流伺服電機(jī)為進(jìn)口直流高性能伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)伺服電機(jī)和伺服控制器成套配置，伺服電機(jī)與伺服控制器之間為全數(shù)字接口，伺服控制器配置剎車系統(tǒng)，對(duì)伺服電機(jī)輸出步進(jìn)控制信號(hào)，對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)和停止動(dòng)作快速響應(yīng)控制，電機(jī)動(dòng)作速度可以無(wú)極 調(diào)速，便于現(xiàn)場(chǎng)快速裝爐和拆爐，更精確的控制引晶工藝過(guò)程，大幅度提高單晶生產(chǎn)成品率。電磁非接觸式位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)屬于一種磁電感應(yīng)檢測(cè)元件，其設(shè)備自帶交流電磁場(chǎng)發(fā)射裝置，并感應(yīng)附近金屬導(dǎo)體，當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)時(shí)，位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)發(fā)出開(kāi)關(guān)信號(hào)送入主控制系統(tǒng)，快速反映爐體動(dòng)作機(jī)構(gòu)的位置。由于非接觸的檢測(cè)方式和側(cè)面檢測(cè)的安裝設(shè)計(jì)，爐體動(dòng)作機(jī)構(gòu)即使動(dòng)作超限也不會(huì)撞壞位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)，從而提高了位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)的使用壽命。本系統(tǒng)包括以主控制器和伺服控制器為主的主控制柜；交直流伺服電機(jī)為執(zhí)行設(shè)備的控制對(duì)象；液晶觸摸平板電腦為操作和顯示的人機(jī)界面。各設(shè)備之間采用功率匹配的軟芯銅線、專用電纜進(jìn)行信號(hào)和電源連接。本系統(tǒng)由三級(jí)控制層面組成，第一層是人機(jī)界面，主要設(shè)備是液晶觸摸平板電腦，為設(shè)備主系統(tǒng)提供控制數(shù)據(jù)，顯示主系統(tǒng)收集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息，存儲(chǔ)系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，提供系統(tǒng)報(bào)警顯示，記錄運(yùn)行人員操作記錄。第二層是主控制和驅(qū)動(dòng)層，主要設(shè)備是控制柜，控制柜中的主系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)的控制、檢測(cè)和處理中心，高頻感應(yīng)電源為區(qū)熔爐提供加熱電源，交、直流伺服控制器接收并驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)。第三層是現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行和檢測(cè)設(shè)備，主要是伺服電機(jī)，除兩臺(tái)電磁離合器之外，其它執(zhí)行設(shè)備均由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)由伺服電機(jī)上的編碼器和行程開(kāi)關(guān)反饋回控制柜。各設(shè)備之間采用了各種聯(lián)絡(luò)方式，包括232通訊、開(kāi)關(guān)信號(hào)、脈沖信號(hào)、模擬量信號(hào)。其中，系統(tǒng)的主要控制回路、采集和計(jì)算回路、執(zhí)行回路、位置檢測(cè)回路均采用抗干擾能力很強(qiáng)的數(shù)字傳輸方式(232通訊、開(kāi)關(guān)信號(hào)、脈沖信號(hào))，絕無(wú)干擾漂移等現(xiàn)象。高頻感應(yīng)電源的電流和電壓采用模擬量信號(hào)檢測(cè)，對(duì)設(shè)備控制無(wú)影響?？刂圃O(shè)備的產(chǎn)品為提純多晶硅和單晶硅，上軸主要控制多晶硅棒的給料量和旋轉(zhuǎn)速度，主要由上軸快、慢速升降電機(jī)，上軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制。高頻感應(yīng)電源控制多晶的熔化速度，控制高頻感應(yīng)電源功率就控制了提純多晶和單晶的直徑。下軸主要控制提純多晶或單晶的拉伸速度，主要由下軸快、慢速升降電機(jī)，下軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制。提純多晶或單晶的整個(gè)工藝和質(zhì)量控制，需要協(xié)調(diào)控制上軸、電源功率、下軸各設(shè)備，全數(shù)字式控制和定速邏輯控制的設(shè)計(jì)原理能夠讓各運(yùn)行環(huán)節(jié)無(wú)干擾獨(dú)立運(yùn)行，確保單晶硅產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。本系統(tǒng)的工作流程
參見(jiàn)圖3，系統(tǒng)上電后先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括端口初始化、定時(shí)器初始化、串口初始化等，然后循環(huán)執(zhí)行主程序通訊口通訊數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)定處理，判斷各滑座是否運(yùn)行超限，否貝U，輸出報(bào)警，并限制系統(tǒng)向超限方向運(yùn)行；判斷是否有緊急停機(jī)手動(dòng)輸入，是則限制所有系統(tǒng)操作，僅對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示；否則，根據(jù)采集值進(jìn)行邏輯判斷、控制滑座正常運(yùn)行，進(jìn)行個(gè)滑座速度閉環(huán)采集運(yùn)算和調(diào)節(jié)，顯示控制速度、系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線，提供圖形化數(shù)據(jù)分析的條件并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，記錄所有系統(tǒng)操作痕跡。本發(fā)明著重考慮了系統(tǒng)的抗干擾能力。由于單晶區(qū)熔爐配置了高頻感應(yīng)電源，各系統(tǒng)之間的所有信號(hào)接線均采用屏蔽電纜，屏蔽線統(tǒng)一接到系統(tǒng)的接地銅牌上。每條屏蔽電纜兩端均配置磁環(huán)，增強(qiáng)電纜的抗高頻干擾的能力。人機(jī)界面的機(jī)箱殼體、控制柜體和爐體采用大截面裝用接地電纜統(tǒng)一連接，并通過(guò)爐體基座接到大地，由于外殼和信號(hào)電纜的 接地分開(kāi)，殼體起到了很好的空間屏蔽作用。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，所有控制和檢測(cè)回路采用開(kāi)關(guān)量、脈沖量、通訊等數(shù)字信號(hào)手段，避免模擬回路感應(yīng)信號(hào)漂移等現(xiàn)象。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下實(shí)現(xiàn)單晶硅區(qū)熔拉伸爐全數(shù)字化控制和監(jiān)視。通過(guò)專用人機(jī)界面顯示各操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)、自由設(shè)定運(yùn)行速度，根據(jù)單晶的生產(chǎn)工藝選擇合適的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)參數(shù)修改、實(shí)時(shí)運(yùn)行曲線、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。各個(gè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)定速運(yùn)行，在單晶拉伸進(jìn)入等徑工序后投入數(shù)字式恒速運(yùn)行，不受高頻感應(yīng)電源系統(tǒng)干擾，確保單晶成晶直徑精確，單晶棒質(zhì)量穩(wěn)定。系統(tǒng)增加急停功能，如果出現(xiàn)高頻故障、火盤打火、斷氣斷水、流晶等緊急情況，能夠?qū)崿F(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和高頻感應(yīng)電源系統(tǒng)緊急一鍵急停。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的非接觸式行程限位開(kāi)關(guān)，采用電磁技術(shù)、側(cè)位安裝，即保護(hù)了動(dòng)作設(shè)備的安全限位，又避免了限位機(jī)構(gòu)的撞擊情況，保證限位開(kāi)關(guān)長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行。波紋管式彈性聯(lián)軸器，緩沖了電機(jī)快速起停的沖擊力，延長(zhǎng)了個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的使用壽命。
權(quán)利要求
1.一種單晶硅區(qū)熔拉伸爐控制系統(tǒng)，包括 上軸旋轉(zhuǎn)速度檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)上軸旋轉(zhuǎn)速度； 上軸送料速度檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)上軸位移速度； 下軸旋轉(zhuǎn)速度檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)下軸旋轉(zhuǎn)速度； 下軸拉伸速度檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)下軸位移速度； 爐膛溫度檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)爐膛溫度； 爐膛氣壓檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)爐膛惰性氣體充氣壓力； 數(shù)據(jù)采集模塊，用于將上述檢測(cè)裝置獲得的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)； 存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)信號(hào)數(shù)據(jù)、控制參數(shù)設(shè)定值及信號(hào)處理計(jì)算模型； 中央處理器，用于處理上述檢測(cè)信號(hào)，輸出控制信號(hào)； 控制信號(hào)輸出模塊，用于輸出控制信號(hào)，將數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)； 上軸旋轉(zhuǎn)速度控制器，用于控制上軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)的速度； 上軸送料速度控制器，用于控制上軸送料電機(jī)的速度； 下軸旋轉(zhuǎn)速度控制器，用于控制下軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)的速度； 下軸拉伸速度控制器，用于控制下軸拉伸電機(jī)的速度； 爐膛溫度控制器，用于控制感應(yīng)加熱器的功率； 爐膛氣壓控制器，用于控制惰性氣體的充氣壓力； 所述中央處理器將上軸旋轉(zhuǎn)速度信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向上軸旋轉(zhuǎn)速度控制器輸出控制信號(hào)，控制上軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)的速度；將上軸送料速度信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向上軸送料速度控制器輸出控制信號(hào)，控制上軸送料電機(jī)的速度；將下軸旋轉(zhuǎn)速度信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向下軸旋轉(zhuǎn)速度控制器輸出控制信號(hào)，控制下軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)的速度；將下軸拉伸速度信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向下軸拉伸速度控制器輸出控制信號(hào)，控制下軸拉伸電機(jī)的速度；將爐膛溫度信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向爐膛溫度控制器輸出控制信號(hào)，控制感應(yīng)加熱器的功率；將爐膛氣壓信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向爐膛氣壓控制器輸出控制信號(hào)，控制惰性氣體充氣閥的開(kāi)度。
2.如權(quán)利要求I所述的單晶硅區(qū)熔拉伸爐控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括下軸滑座行程檢測(cè)裝置、下軸滑座行程控制器，所述中央處理器將下軸滑座行程信號(hào)數(shù)據(jù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，向下軸滑座行程控制器輸出控制信號(hào)，控制下軸快速升降電機(jī)的啟、停。
3.如權(quán)利要求2所述的單晶硅區(qū)熔拉伸爐控制系統(tǒng)，其特征在于，所述下軸滑座行程檢測(cè)裝置采用磁電感應(yīng)檢測(cè)元件。
4.如權(quán)利要求I所述的單晶硅區(qū)熔拉伸爐控制系統(tǒng)，其特征在于，所述各電機(jī)與其驅(qū)動(dòng)對(duì)象之間配有蝸輪蝸桿傳動(dòng)副，電機(jī)輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與蝸桿聯(lián)接，該聯(lián)軸器采用柔性聯(lián)軸器。
5.如權(quán)利要求I所述的單晶硅區(qū)熔拉伸爐控制系統(tǒng)，其特征在于，所述上軸配有快速升降電機(jī)及其蝸輪蝸桿傳動(dòng)副。
6.如權(quán)利要求I所述的單晶硅區(qū)熔拉伸爐控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)的各種信號(hào)線路均采用屏蔽電纜。
7.如權(quán)利要求6所述的單晶硅區(qū)熔拉伸爐控制系統(tǒng)，其特征在于，所述屏蔽電纜的兩端配有磁環(huán)。
8.如權(quán)利要求I所述的單晶硅區(qū)熔拉伸爐控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還配有觸摸屏，用于控制參數(shù)設(shè)定值、計(jì)算模型錄入操作及顯示操作界面。
9.如權(quán)利要求I所述的單晶硅區(qū)熔拉伸爐控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還配有手動(dòng)開(kāi)關(guān)，用于故障時(shí)緊急停機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種單晶硅區(qū)熔拉伸爐控制系統(tǒng)，包括上軸旋轉(zhuǎn)速度檢測(cè)裝置，上軸送料速度檢測(cè)裝置，下軸旋轉(zhuǎn)速度檢測(cè)裝置，下軸拉伸速度檢測(cè)裝置，爐膛溫度檢測(cè)裝置，爐膛氣壓檢測(cè)裝置，數(shù)據(jù)采集模塊，存儲(chǔ)器，中央處理器，控制信號(hào)輸出模塊，上軸旋轉(zhuǎn)速度控制器，上軸送料速度控制器，下軸旋轉(zhuǎn)速度控制器，下軸拉伸速度控制器，爐膛溫度控制器，爐膛氣壓控制器，通過(guò)聯(lián)動(dòng)控制上軸送料速度、下軸拉伸速度、上下軸旋轉(zhuǎn)速度、爐膛溫度、爐膛惰性氣體充氣壓力，使拉伸出的單晶硅棒的直徑、圓度符合設(shè)計(jì)要求。
文檔編號(hào)C30B13/28GK102828233SQ20121029243
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月17日
發(fā)明者李 杰, 陸曉陽(yáng) 申請(qǐng)人:德陽(yáng)瑞能電力科技有限公司